变载下导叶的简化模型设计试验研究

变载下导叶的简化模型设计试验研究

0叶轮物理模型试验骚乱装置是一种广泛使用的波浪能量发电装置。于通顺等本文以可变翼装置叶轮的导叶为研究对象，通过开展物理模型试验，研究波浪作用下不同位置处叶轮导叶的运动过程，明确导叶的摆动特性与作用规律。针对可变翼装置捕能效率较低的问题，提出以导叶所受最大水平波浪荷载为研究对象的提高装置捕能效率的方法。1可变波能源装置的模型简化波浪作用下可变翼装置旋转的动力是导叶轴受到的水平分力，且水平分力越大，装置受到的扭矩越大，发电功率也越大2试验研究方法叶轮旋转过程中导叶轴位置不断变动，试验过程中分别选取导叶轴旋转到与波浪传播方向垂直、平行时的位置作为典型位置，在水深为0.8m、波高为0.25m和周期为2s的波浪工况下探讨导叶的水动力过程。试验在山东省海洋工程重点实验室的宽断面波流水槽中进行。模型导叶长0.20m、宽0.16m、厚0.02m，采用亚克力材料制作，密度1100kg/m支撑结构1中导叶后方与支撑结构2之间设置经过防水处理的拉压力传感器。固定于支撑结构1上的导叶受到波浪的作用可使支撑结构1绕连接部位发生微小转动，支撑结构1挤压拉压力传感器输出导叶所受波浪力的水平分力。在圆盘位置设置角度传感器，测定波浪作用过程中导叶绕导叶轴的转动角度。另外，在导叶一侧与导叶前端平齐位置布置波高仪，以测定导叶处波高的变化，波高仪布置在水槽边壁附近，以减小所测波高结果中导叶运动对波浪场的影响。3试验结果的分析3.1导叶双向波浪荷载作用提取水深为0.80m、波高为0.25m和周期为2s的波浪作用下，导叶最大转动角度为42°、导叶转轴位于导叶后方时导叶所受垂直于旋转轴方向的水平力（以导叶指向导叶轴方向为正）以及导叶转动角度（以导叶向上摆动转角为正）的时程，如图3所示。通过图3可知，波浪作用过程中导叶正向水平波浪荷载的最大值（32.69N）远超负向水平荷载的最大值（-12.78N），在一个周期内正向波浪荷载作用的时间比例（约60%）也大于负向荷载作用的时间比例（约40%）。波浪作用过程中导叶受到负向波浪荷载作用，可变翼装置的叶轮可能会出现停转甚至回转，但叶轮的总体旋转方向与正向波浪分量的方向相同，这也与以叶轮为研究对象的试验结果提取导叶从处于近似水平位置（以t水深为0.80m、波高为0.25m和周期为2s的波浪作用下，导叶转轴位于导叶前方时导叶所受垂直于旋转轴方向的水平波浪荷载以及导叶转动角度时程，如图5所示。可以发现，一个波浪周期内正向波浪荷载作用的时间比例（约65%）大于负向波浪荷载作用的时间比例（约35%），正向水平波浪荷载的最大值（9.14N）与负向水平荷载的最大值（-11.31N）差距不大，均小于导叶转轴位于导叶后方时导叶所受最大水平波浪荷载。3.2变翼装置的波浪传播方向垂直分布将3.1节模型的导叶在水平面内旋转90°，导叶顶端距离水面仍为0.05m。当提取导叶最大转动角度为42°时，导叶所受垂直于旋转轴方向的水平力以及导叶转动角度的时程，如图6所示。可以发现，相对于导叶轴垂直于波浪传播方向布置时正负向水平波浪荷载的均有明显降低（最大值降低到接近原最大值的1/10），一个周期内正向波浪荷载作用的时间比例（约75%）远大于负向荷载作用的时间比例（约25%）。受到导叶本身自重略大于水的密度的原因，导叶始终有向下摆动的趋势，导叶向下摆动的最大角度为28°大于导叶向上摆动的最大角度13.6°。通过图6与图3、图4比较发现，可变翼装置中旋转到转轴与波浪传播方向平行位置处的导叶，所受到的驱动装置旋转发电的波浪荷载远小于旋转到转轴与波浪传播方向垂直位置处的导叶。在整个可变翼装置旋转过程中，转动到转轴与波浪传播方向平行位置处的导叶对装置的旋转发电贡献非常小，叶轮的旋转受转动到导叶旋转轴位于导叶后方的导叶控制。4以最大水平波浪传播装置为目标的提升装置捕能效率的方法通过以上分析发现，叶轮的旋转主要受旋转轴垂直于波浪传播方向、旋转轴位于波浪传播方向后方的导叶控制，因此为研究导叶所受垂直于旋转轴的最大水平波浪荷载与不同波浪要素之间的关系，将导叶旋转轴布置在与波浪传播方向垂直的后方，分别选取不同的波浪工况对长0.20m、宽0.16m、厚0.02m的导叶模型进行试验。提取水深0.80m，波高0.25m，周期分别为1.2、1.4、1.6、1.8、2.0s的波浪工况下导叶所受最大水平荷载，如图7所示。可发现在1.2～2.0s周期范围内，导叶所受垂直于旋转轴方向的最大水平荷载随周期增大而减小。另外通过其他几组波浪工况下的试验结果发现，导叶所受垂直于旋转轴方向的最大水平荷载随水深略有减小，随波高增大而增大，随入水深度增大而减小，这与前期可变翼装置叶轮的转速受波浪条件的影响规律可变翼装置处于初设阶段，捕能效率较低，亟需优化以提高效率。以整个叶轮为研究对象的提升效率的方法对每一种新方案都需要重新制作叶轮，这种方法比较费时费力，因此期望提出一种较为准确、简便地进行装置优化、提升捕能效率的新方法。基于以上考虑，本文提出以导叶所受最大水平波浪荷载为目标的提升装置捕能效率的方法，并与已有的优化结果进行比较验证。文献选取文献5以最大水平波浪荷载为目标的提升装置捕能效率的方法1）针对可变翼装置导叶水动力性能的简化模型进行了系统试验，明确了转动到旋转轴位于导叶后方时的导叶对叶轮的转动起控制作用。2）明确了波浪作用下导叶所受最大水平波浪荷载受波浪条件的影响规律：导叶所受垂直于旋转轴方向的最大水平荷载随水深略有减小、随周期的增大而减小、随波高的增大而增大、随入水深度的增大而减小。3）提出了以导叶所受最大水平波浪荷载为目标